BH5000R在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷中的應(yīng)用

潘高峰，買(mǎi)買(mǎi)提江

（大慶煉化公司設(shè)備監(jiān)測(cè)中心，黑龍江 大慶 163411）

2009年，大慶煉化公司在加氫改質(zhì)裝置、異構(gòu)脫蠟裝置、蠟加氫裝置所屬的14臺(tái)氫氣壓縮機(jī)上安裝使用北京某公司的“BH5000R往復(fù)壓縮機(jī)在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)”，對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)實(shí)施在線監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)是針對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)特有的故障機(jī)理，研發(fā)的集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、在線振動(dòng)參數(shù)、溫度參數(shù)、活塞桿下沉、示功圖監(jiān)測(cè)、故障分析診斷為一體的多功能信息分析系統(tǒng)。

一、BH5000R監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.往復(fù)壓縮機(jī)常見(jiàn)故障及機(jī)理

往復(fù)壓縮機(jī)故障按機(jī)理可分成兩大類(lèi)：一類(lèi)是流體性質(zhì)的，屬于熱力性能故障，一般表現(xiàn)為排氣量不足，壓力、溫度波動(dòng)異常，產(chǎn)生原因主要是氣閥、活塞環(huán)、填料函、水冷器等部件發(fā)生了故障；一類(lèi)是機(jī)械性質(zhì)的，屬于機(jī)械功能故障，一般表現(xiàn)為機(jī)器工作時(shí)的異常響聲、振動(dòng)、過(guò)熱等，產(chǎn)生原因主要是吸排氣閥損壞，活塞環(huán)磨損斷裂，活塞桿填料函磨損，活塞桿下沉、裂紋及斷裂，十字頭磨損，曲軸斷裂等。

2.往復(fù)壓縮機(jī)監(jiān)測(cè)參數(shù)選擇及監(jiān)測(cè)位置

根據(jù)往復(fù)壓縮機(jī)的故障特點(diǎn)，BH5000R監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇了汽缸內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力、溫度、機(jī)體振動(dòng)、活塞桿下沉、轉(zhuǎn)速等狀態(tài)量作為監(jiān)測(cè)參數(shù)。

（1）振動(dòng)監(jiān)測(cè)。使用內(nèi)含積分電路的加速度傳感器測(cè)量曲軸箱殼體振動(dòng)，監(jiān)測(cè)殼體異常振動(dòng)、基礎(chǔ)松動(dòng)、不平衡類(lèi)故障。

（2）沖擊監(jiān)測(cè)。使用加速度或撞擊傳感器測(cè)量十字頭滑道部位的沖擊信號(hào)，監(jiān)測(cè)拉缸、水擊、連接松動(dòng)等沖擊類(lèi)故障。

（3）活塞桿沉降監(jiān)測(cè)。使用一個(gè)垂直安裝在填料函端部的電渦流傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)活塞桿沉降，監(jiān)測(cè)往復(fù)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，支承環(huán)與缸套的磨損狀況。

（4）溫度監(jiān)測(cè)。使用熱電阻或熱電偶傳感器測(cè)量吸、排氣閥溫度，可對(duì)氣閥泄漏、閥片斷裂等故障進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

（5）汽缸壓力和p-V圖監(jiān)測(cè)。使用動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)量汽缸壓力，并提供p-V圖供故障診斷使用。監(jiān)測(cè)汽缸壓力是診斷氣閥泄漏、氣閥卡塞、活塞環(huán)損壞、缸套磨損等故障的最有效方法之一。

（6）鍵相信號(hào)監(jiān)測(cè)。使用電渦流傳感器，一般安裝在飛輪處，提供信號(hào)采集觸發(fā)，用于故障診斷參考。

3.系統(tǒng)硬件組成及功能

系統(tǒng)的硬件主要包括：安裝在現(xiàn)場(chǎng)的各種傳感器、前置信號(hào)放大器、現(xiàn)場(chǎng)防爆箱、信號(hào)電纜部分、安全隔離系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)及通信電纜系統(tǒng)等。

現(xiàn)場(chǎng)傳感器安裝在往復(fù)壓縮機(jī)上，傳感器采集的模擬信號(hào)通過(guò)延長(zhǎng)電纜進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)防爆箱，再通過(guò)延長(zhǎng)電纜進(jìn)入安全隔離系統(tǒng)的安全柵，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)防爆區(qū)與安全區(qū)的信號(hào)傳輸。從安全柵出來(lái)的信號(hào)接入對(duì)應(yīng)的信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，將處理好的數(shù)字信號(hào)通過(guò)局域網(wǎng)傳輸給數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過(guò)服務(wù)器上網(wǎng)，最終利用BH5000R軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的在線監(jiān)測(cè)及診斷。

4.系統(tǒng)軟件組成及功能

BH5000R系統(tǒng)軟件具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信、故障診斷、故障報(bào)警等功能。該系統(tǒng)采用中間件技術(shù)，數(shù)據(jù)用戶通過(guò)中間件與數(shù)據(jù)庫(kù)建立聯(lián)系，這樣可防止多用戶同時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)崩潰的發(fā)生，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、上傳、調(diào)用都通過(guò)中間件軟件完成。本系統(tǒng)軟件進(jìn)行故障診斷的原理基于以下4個(gè)原則：①基于角度域的振動(dòng)、活塞桿沉降、動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)分析（橫坐標(biāo)0°～360°），其中0°標(biāo)記為各缸外止點(diǎn)；②基于多參數(shù)分析（將振動(dòng)、活塞桿沉降、動(dòng)態(tài)壓力、溫度進(jìn)行聯(lián)合分析）；③基于十字頭撞擊次數(shù)的分析（有效判斷十字頭狀態(tài)，小頭瓦松動(dòng)、十字頭銷(xiāo)松動(dòng)、十字頭連接松動(dòng)等故障）；④氣閥溫度趨勢(shì)分析，判斷氣閥泄漏、冷卻器、填料泄漏等故障。

根據(jù)上述原則，BH5000R系統(tǒng)軟件可提供的圖譜有：振動(dòng)波形及活塞桿位置關(guān)聯(lián)圖、活塞桿振動(dòng)波形及頻譜圖、活塞桿位置運(yùn)行軌跡圖、十字頭沖擊圖譜、示功圖、壓力相位圖、多參數(shù)分析圖、綜合分析診斷圖、各類(lèi)特征值趨勢(shì)圖、單值棒圖等10種常規(guī)診斷圖譜。根據(jù)上述圖譜可診斷下列故障：①氣閥故障。包括吸、排氣閥卡塞、泄漏，閥片斷裂，彈簧彈力失效、彈簧剛度異常；②活塞部件故障。包括活塞環(huán)泄漏、損壞，支承環(huán)嚴(yán)重磨損、斷裂；③汽缸故障。包括拉缸、撞缸、水擊、缸套過(guò)度磨損；④傳動(dòng)系統(tǒng)故障。包括活塞桿故障、連桿故障、十字頭故障；⑤填料密封故障。包括填料磨損、填料泄漏。

二、BH5000R監(jiān)測(cè)系統(tǒng)診斷應(yīng)用案例

1.振動(dòng)現(xiàn)象

2009年10月30日，BH5000R在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提示異構(gòu)脫蠟裝置的4#缸新氫往復(fù)機(jī)C3402B振動(dòng)報(bào)警，往復(fù)機(jī)C3402B結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)示意圖見(jiàn)圖1。4#汽缸振動(dòng)峰值、沖擊峰值、活塞桿沉降量等突變（圖2、圖3、圖4），說(shuō)明往復(fù)機(jī)C3402B發(fā)生故障。

2.故障分析

圖1 往復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)示意圖

在活塞桿沉降趨勢(shì)圖（圖2）、缸體振動(dòng)趨勢(shì)圖（圖3）、缸體曲軸箱振動(dòng)趨勢(shì)圖（圖4）中，可得到故障前后各種參數(shù)變化：從活塞桿沉降量趨勢(shì)看出，沉降量突變，由-312μm變到-589μm；從振動(dòng)趨勢(shì)分析，同時(shí)振動(dòng)峰值明顯突變，從60m/s2增長(zhǎng)到120m/s2；從振動(dòng)波形分析，沖擊峰值從59.6m/s2增加到135m/s2。

綜合上述現(xiàn)象，可以判斷故障部位有：4#汽缸活塞環(huán)斷裂；4#汽缸支承環(huán)斷裂；填料密封磨損。

圖2 4#活塞桿沉降趨勢(shì)圖

為進(jìn)一步確定故障部位，通過(guò)分析汽缸溫度，吸、排氣溫度的變化趨勢(shì)，排除了活塞環(huán)和填料密封故障，確定為支承環(huán)存在斷裂故障。支承環(huán)斷裂原因?yàn)榛钊c汽缸中心不重合，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，支承環(huán)受力不均，在交變應(yīng)力的作用下，受力相對(duì)較大部分的強(qiáng)度和壽命大大降低，出現(xiàn)疲勞裂紋，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生斷裂。支承環(huán)斷裂后，汽缸振幅會(huì)顯著增加，沉降量突變，運(yùn)動(dòng)軌跡異常。

3.故障處理

為防止故障惡化，發(fā)生活塞環(huán)、缸套、填料的嚴(yán)重磨損，甚至活塞桿斷裂、拉缸等重大事故，緊急停機(jī)進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)支承環(huán)斷裂。更換4#汽缸支承環(huán)，并調(diào)整各部分間隙在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，啟機(jī)后機(jī)組振動(dòng)恢復(fù)正常。

三、結(jié)論

圖3 4#缸體振動(dòng)趨勢(shì)圖

圖4 4#缸體曲軸箱振動(dòng)趨勢(shì)圖

上述實(shí)例說(shuō)明，使用BH5000R往復(fù)壓縮機(jī)在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控往復(fù)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)及溫度、壓力等工藝參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程專(zhuān)家可及時(shí)識(shí)別機(jī)組的狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)故障的早期征兆，提前采取有效的預(yù)防及檢修措施，避免重大事故發(fā)生。但由于往復(fù)壓縮機(jī)振動(dòng)原因復(fù)雜，希望能引入專(zhuān)家診斷系統(tǒng)，進(jìn)一步提高故障診斷的準(zhǔn)確性。

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